MIT首次在硅芯片上打造基于金刚石的量子传感器或将替代GPS

据外媒报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员首次在硅芯片上打造了一种基于金刚石的量子传感器，从而能够为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

金刚石中的“氮空位中心”（NV centers）是一种电子缺陷，能够被光和微波控制。但是，此种缺陷会发出彩色光子，携带周围磁场和电场的量子信息，可以用于生物传感、目标探测和其他传感应用。但是，传统的基于NV的量子传感器有餐桌那么大，还配备了昂贵的分立元器件，限制其实用性和可扩展性。

不过，MIT的研究人员找到一种方法，利用传统的半导体制造技术，将所有体积庞大的组件，包括微波发生器、光学滤波器和光探测器等都集成至一个尺寸只有毫米大小的包装中。值得注意的是，该传感器能够在室温下工作，具有感应磁场方向和强度的能力。

研究人员展示了该传感器可用于磁力测量，意味着能够测量由于周围磁场引起的原子尺度的频率变化，而周围磁场可能会包含有关周围环境的信息。经过进一步完善，该传感器还可用于其他领域，如绘制大脑中的电脉冲图、在漆黑的环境中探测物体等。

什么是氮空位中心（NV）

如果金刚石晶格结构中两个相邻位置的碳原子消失，其中一个原子被氮原子取代，另一个位置“缺失”，就会造成NV中心，导致结构中缺失了键，而此类结构中的电子会对周围环境中的电、磁和光学特性的微小变化极其敏感。

NV中心本质上是一个原子，有一个原子核，周围还有电子，还具备光致发光特性，能够吸收和发射彩色光子。扫过NV中心的微波可让其改变状态（正、中性和负），反过来改变电子的自旋，根据自旋，NV中心又会发射不同数量的红色光子。

而光学检测磁共振（ODMR）技术能够测量出NV中心与周围磁场相互作用后发出的光子数量，此种相互作用产出了有关磁场的可量化信息。为了实现这一切，传统的传感器需要各种体积庞大的组件（餐桌那么大），包括一个安装在其上面的激光器、电源、微波发生器、传输光和微波的导体、一个光学滤波器和传感器以及一个读出组件。

不过，MIT研究人员研发出一种新型芯片架构，采用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，以某种方式定位微小、廉价的组件，并将它们堆叠起来。

金刚石内的NV中心是该芯片的“传感区”，小型的绿色激光会激发NV中心，同时放置在NV中心附近的纳米线会根据电流产生扫掠微波。基本来说，激光与微波会配合工作，让NV中心发出不同数量的红色光子，而差值就是研究人员需要的目标信号。

在NV中心下方是一个光电二极管，能够消除噪音并测量光子。在金刚石和光电二极管之间是一个金属光栅，作为一个过滤器，能够吸收绿色激光光子，同时允许红色光子到达光电二极管。简而言之，能够在芯片上实现ODMR设备，从而测量带有磁场信息的红色光子的共振频率变化。

但是，如何让一个芯片完成一台大型机器的工作呢？关键在于移动产生微波的导线，使其与NV中心保持最佳距离。即使芯片很小，该距离就足以让导线电流产生足够的磁场以操纵电子。此外，微波导线和电路在设计中都被考虑在内，而且被紧密集成至芯片中。研究人员表示，其设计能够产生足够的磁场，用于目标探测。

在今年早些时候，研究人员还介绍了第二种传感器，其设计得到了改进，灵敏度提高了100倍。研究人员表示，接下来，将把其灵敏度提高1000倍，即要扩大芯片的尺寸，以增加NV中心的密度。

如果能够成功，该传感器甚至可用于神经成像应用，即将传感器放在神经元附近，探测神经元放电的强度和方向，从而帮助研究人员绘制神经元之间的连接图，并观察哪些神经元会互相触发。其他应用还包括替代车辆和飞机上的GPS，由于能够很好地绘制出地球磁场，量子传感器就能成为极其精确的指南针，即使在没有GPS的环境中也是如此。